永磁同步电动机在电梯中的应用

相对于传统有齿轮传动系统，以永磁同步电机为主要技术的无齿轮曳引技术实现了无机房化，降低了建筑面积，整个电梯系统的成本降低，维护方便，减少了机械传动系统，噪音降低。国际上对电梯驱动用永磁同步电动机的研究己经进行了多年。

一、永磁同步电机应用于电梯驱动技术

永磁同步电机无齿轮传动系统采用正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)，由于其减少了变速箱以及齿轮机械结构，减小了体积。论文参考网。同时永磁同步电机较之于以往交流异步电动机，应用于电梯拖动系统时有以下几个特点:

1、永磁同步电机机械噪音小，转矩波动小，转速平稳，动态响应快速准确。同步电动机比异步电动机对电压及转矩的扰动有着更强的承受能力，能做出比较快的反应。异步电动机当负载转矩发生变化时，电机的转差率也发生变化，转速也就随之变化，这样电机的转动部分的惯量就会阻碍电机做出快速的反应;而同步电机当负载转矩发生变化时，只要电机的功角做出相应的变化，而转速维持在原来的转速，这样电机转动部分的惯量就不会影响电机的快速反应。

2、相对于传统有齿轮传动系统，以永磁同步电机为主要技术的无齿轮曳引技术实现了无机房化，降低了建筑面积，整个电梯系统的成本降低，维护方便，减少了机械传动系统，噪音降低。

3、体积小，重量轻，随着高性能永磁材料的应用，转子无需励磁，相对于异步电机减少了变速用的变速箱，所以永磁同步电机功率密度不断增加，比起同容量的异步电机，它的体积，重量都要减小许多。

4、损耗小，效率高，永磁同步电机相对于异步电机无需励磁电流，无功电流分量，显著的提高了功率因数;由于高性能永磁材料的应用，提高了磁负荷，在相同功率的情况下，在设计过程中可以相应的减少电负荷，这样随之减小定子电流和定子铜耗。转子采用表面磁钢形式，在稳定运行时无转子铜损提高了效率。

5、性能价格比高。论文参考网。随着电力电子技术的成熟，电子器件的价格的降低，人们越来越多得用变频电源来驱动永磁同步电机，这就使整个驱动系统的成本不断降低。

二、国内外电梯驱动用永磁同步电动机的发展现状

国际上对电梯驱动用永磁同步电动机的研究己经进行了多年。从上世纪90年代起，电梯行业内的有关企业就开始了对电梯驱动用永磁同步电机的探索。日本三菱公司首先在高速电梯曳引机上使用永磁电机，提高了电梯的运行性能。日本在永磁电机应用于电梯的研究也己经进行了多年，并且取得了很大的成绩，其中以日本安川为代表的一些企业己经生产出了此类产品并获得了应用。他们在控制方式、转子位置检测、驱动变频器及电机本体设计等方面己经有了很多产品且申请了相关的专利。其产品经过实际测试，得到了国内同行的高度评价。论文参考网。东芝公司外旋转无齿轮永磁同步电动机曳引机的曳引轮与电机成为一体，实现了小型化、轻量化。

三、永磁同步电动机的分类

永磁同步电机按主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式;按转子上有无起动绕组，分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机);按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机(简称无邪}J直流电动机)和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。永磁同步电机无齿轮传动系统采用的正是正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。

四、变频调速永磁同步电动机的设计要求

由于采用变频器对电机实行变频变压调速时，经变频器输入电机的电源是一个含有大量谐波分量的电压或电流发生源，它对电机的性能产生很大影响，主要表现在:电机振动、电磁噪声、损耗增大、起动转矩下降，温升升高等现象，而电梯的运行恰在这几方面要求比较严格，为此必须有针对性地采取措施。

（一）电动机低速平稳性的改善

电动机服务于电梯传动系统，因此对于运行的平稳性、动态响应性能和运行中的低噪声提出了较高的要求，尤其是对电机低速运行的平稳性要求更为严格，因为低速平稳性是保证电梯电机性能的重要指标。影响电动机低速平稳性的主要原因是电动机低速运行时的脉动转矩，该脉动转矩通常分为两种:一是由感应电动势或电流波形畸变而引起的纹波转矩，二是由齿槽或铁心磁阻变化而引起的齿谐波转矩。针对这两种情况，减小电动机低速脉动转矩的措施主要有以下几点:

1、使电机空载磁场气隙磁通密度的空间分布尽量接近于正弦形，以减少由谐波磁场引起的谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动。

2、合理选择定子槽数，使在该槽数下采用绕组短距、分布的方法来有效地削弱高次谐波电动势。

3、当转子有槽时，应该选择与定子槽数相配合的转子槽数。

4、增大电机的气隙长度，以减小气隙磁场齿谐波及相应的齿谐波转矩。

5、采用定子斜槽或转子斜极削弱齿谐波电动势，从而减少相应的齿谐波转矩。

6、减小定子槽的开口宽度或采用磁性槽楔，以降低由定子槽开口引起的气隙磁导的变化，从而减小了气隙磁场齿谐波。

7、采用阻尼绕组，以减小电枢反应磁链的脉动，可以有效地减少纹波转矩。

8、增大交轴同步电抗，使凸极永磁同步电动机的交轴同步电抗与直轴同步电抗的差距增大，从而增加电机的磁阻转矩，以增强电机低速运行时的输出能力。

（二）电动机低速平稳定位转矩的抑制

高精度的调速传动系统通常要求系统具有较高的定位精度。影响永磁同步电动机停转时定位精度的主要原因是电机的定位转矩，即电机不通电时所呈现出的磁阻转矩，该转矩使电机转子定位于某一位置。定位转矩主要是由转子中的永磁体与定子开槽的相互影响而产生的。

（三）提高弱磁扩速的能力

永磁同步电动机的励磁磁场由永磁体产生，不像电励磁同步电动机那样可以调节，这样在控制手段上就只能通过增大电机的直轴去磁电流以达到弱磁扩速的目的。

针对这一情况，对永磁同步电动机本身提出的要求是:

1、增大直轴同步电抗，以增强电机直轴电流的去磁能力。

2、选用抗去磁能力强的永磁体，并在电机结构上对永磁体加强保护，以避免永磁体发生不可逆性去磁。

3、充分利用电机的磁阻转矩，使永磁磁链设计得较低，从而增强电机的弱磁扩速能力。

4、保证电机转子具有适合高速运行的足够的机械强度。

五、结论

永磁同步电动机和异步电动机不同，永磁体提供的磁通量和磁动势随着磁路的饱和程度、材料尺寸、电机的运行状态变化而变化，而且由于转子磁路结构形式多种多样，不同的转子磁路结构，其空载漏磁系数各不相同，对电机的性能有着重要影响。据有关人士预计，在2010年新增的电梯90%以上是由低速、大转矩的永磁同步电动机直接驱动的无齿轮曳引电梯，永磁同步电动机在无齿轮曳引电梯中的应用将有很好的发展前景。